Policloreto de alumínio: estrutura, propriedades, obtenção, utilizações - Ciência - 2023

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Se chama policloreto de alumínio a uma classe de produtos de alumínio inorgânico solúveis em água, formados pela reação parcial de cloreto de alumínio AlCl₃ com uma base. É um sólido branco a amarelo. Sua fórmula geral é frequentemente expressa como Al_n(OH)_mCl_(3n-m). Eles também são conhecidos como PAC ou também PACl (sigla em inglês Policloreto de Alumínio).

Os PACs são formulados de forma a conterem polímeros altamente catiônicos (conjuntos de várias moléculas com muitas cargas positivas) formados por íons de alumínio (Al³⁺), íons cloreto (Cl^–), íons hidroxila (OH)^– e moléculas de água (H₂OU).

O polímero catiônico mais importante dessas espécies é chamado de Al₁₃ o Keggin-Al13 que é muito eficaz no tratamento de água e na indústria de fabricação de papel e celulose.

Nessas aplicações, os PACs aderem à superfície das partículas fazendo com que elas se liguem e possam sedimentar, ou seja, cair no fundo e ser filtradas.

Também foi testado com sucesso para melhorar as propriedades do cimento Portland, pois modifica ou altera sua estrutura em um nível micro e isso torna o cimento mais resistente.

Estrutura

PAC ou PACl é composto de uma série de espécies que variam de monômeros (uma única molécula), dímeros (duas moléculas unidas), oligômeros (três a cinco moléculas unidas) a polímeros (muitas moléculas unidas).

Sua fórmula geral é Al_n(OH)_mCl_(3n-m). Quando dissolvidas em água, essas espécies contêm íons de Al³⁺, íons hidroxila OH^–, íon cloreto Cl^– e moléculas de água H₂OU.

Em solução aquosa sua fórmula geral é Al_x(OH)_Y(H₂OU)_n^{(3x-y) +} ou também Al_xOU_z(OH)_Y(H₂OU)_n^{(3x-y-2z) +}.

O mais útil desses polímeros é chamado de Al₁₃ ou Keggin-Al13 cuja fórmula é AlO₄Ao₁₂(OH)₂₄(H₂OU)₁₂⁷⁺. A espécie Al₁₃ Tem uma forma tridimensional.

Estima-se que o precursor deste policatião seja Al (OH)₄^–, que tem uma conformação tetraédrica e está localizada no centro da estrutura.

Nomenclatura

- Policloreto de alumínio

- PAC (acrônimo do inglês Cloreto de Poli Alumínio)

- PACl (acrônimo do inglês Cloreto de Poli Alumínio)

- cloreto de polialumínio

- Poli-hidroxicloreto de alumínio

- Cloridrato de alumínio ou ACH (acrônimo do inglês Cloridrato de alumínio).

Propriedades

Estado físico

Sólido (pó) branco a amarelo, também obtido na forma de soluções aquosas de diferentes concentrações.

Solubilidade

Solúvel em água.

Características de PACs comerciais

Os vários PACs diferem uns dos outros principalmente por duas coisas:

- Sua resistência, expressa em% de alumina Al₂OU_3.

- Sua basicidade, que indica a quantidade de material polimérico no PAC, podendo variar entre 10% (basicidade baixa), 50% (basicidade média), 70% (basicidade alta) e 83% (basicidade máxima, que corresponde a cloridrato de alumínio ou ACH).

Propriedades quimicas

PAC é um tipo de produto de alumínio solúvel em água. Sua fórmula geral é frequentemente expressa como Al_n(OH)_mCl_(3n-m).

Uma vez que são produzidos pela reação de cloreto de alumínio (AlCl₃) com uma base, a basicidade deste tipo de produto depende da quantidade relativa de íons OH^– em comparação com a quantidade de alumínio (Al).

De acordo com a fórmula Al_n(OH)_mCl_(3n-m), a basicidade é definida como m / 3n.

É um floculante. Possui propriedades como facilidade de adsorção sobre outras partículas de carga oposta (adere à superfície destas), coagulação (união de várias partículas nas quais foi adsorvido) e precipitação desses grupos de partículas unidas.

Os PACs podem ser instáveis, pois dependem do pH. Eles podem ser corrosivos.

Comportamento do PAC na água

Ao dissolver o PAC em água e dependendo do pH, várias espécies de hidroxila de alumínio (Al-OH) são formadas.

Ele hidrolisa ou reage com água para formar monômeros (moléculas unitárias), oligômeros (3 a 6 moléculas ligadas) e polímeros (mais de 6 moléculas ligadas).

A espécie mais importante é um polímero com 13 átomos de alumínio, denominado Keggin-Al13.

Função do PAC como floculante

O polímero Keggin-Al13 se adsorve nas partículas presentes na água, ou seja, adere na superfície destas, e faz com que elas se juntem formando flocos.

Flocos são grupos de partículas muito pequenas aglutinadas ou unidas para formar estruturas maiores que podem se depositar, ou seja, ir para o fundo da solução aquosa.

Depois de formar flocos, quando são grandes o suficiente vão para o fundo e a solução aquosa fica limpa.

Obtendo

As soluções de PAC ou PACl são geralmente obtidas pela adição de uma solução básica ou alcalina a uma solução de cloreto de alumínio (AlCl₃).

Para obter uma grande quantidade de polímeros de Al₁₃ a base ou álcali adicionado não deve fornecer íons OH^– muito rápido e não muito lento.

Estudos indicam que é difícil produzir uma alta concentração estável de Al₁₃ usando NaOH porque libera íons OH^– muito rápido na água.

Por esta razão, são preferidos os compostos básicos de cálcio (Ca), que possuem baixa solubilidade em água e, portanto, liberam íons OH.^– lentamente. Um desses compostos básicos de cálcio é o óxido de cálcio CaO.

Aqui estão as etapas que ocorrem para a formação do PAC.

Hidrólise

Quando os sais de alumínio (iii) se dissolvem em água, uma reação de hidrólise ocorre espontaneamente na qual o cátion alumínio Al³⁺ leva íons hidroxila OH^– da água e se liga a eles, deixando prótons H⁺ livre:

Ao³⁺ + H₂O → Al (OH)²⁺ + H⁺

Ao³⁺ + 2 H₂O → Al (OH)₂⁺ + 2 H⁺

Isso é favorecido pela adição de um álcali, ou seja, íons OH.^–. Alumínio íon Al³⁺ cada vez mais se liga a ânions OH^–:

Ao³⁺ → Al (OH)²⁺ → Al (OH)₂⁺ → Al (OH)₃⁰ → Al (OH)₄^–

Além disso, espécies como Al (H₂OU)₆³⁺, ou seja, um íon de alumínio ligado ou coordenado com seis moléculas de água.

Polimerização

Em seguida, ligações são formadas entre essas espécies, formando dímeros (conjuntos de 2 moléculas) e trímeros (conjuntos de 3 moléculas) que são transformados em oligômeros (conjuntos de 3 a 5 moléculas) e polímeros (conjuntos de muitas moléculas unidas).

Al (OH)₂⁺ → Al₂(OH)₂⁴⁺ → Al₃(OH)₅⁴⁺ → Al₆(OH)₁₂⁶⁺ → Al₁₃(OH)₃₂⁷⁺

Este tipo de espécie está ligado por pontes OH entre si e com Al (H₂OU)₆³⁺ formando conjuntos de moléculas que são chamados de complexos de hidroxi ou policatiões ou polímeros de hidroxi.

A fórmula geral desses polímeros catiônicos é Al_x(OH)_Y(H₂OU)_n^{(3x-y) +} ou também Al_xOU_z(OH)_Y(H₂OU)_n^{(3x-y-2z) +}.

Polímero de importância

O mais útil desses polímeros é conhecido como Al₁₃ cuja fórmula é AlO₄Ao₁₂(OH)₂₄(H₂OU)₁₂⁷⁺, e também é conhecido como Keggin-Al13.

É uma espécie com 7 cargas positivas (ou seja, um cátion heptavalente) com 13 átomos de alumínio, 24 unidades OH, 4 átomos de oxigênio e 12 H unidades de água.₂OU.

Formulários

- No tratamento de água

PACl é um produto comercial para tratar água e torná-la potável (limpa e potável). Também permite o tratamento de efluentes e águas industriais.

É usado como agente de coagulação em processos de melhoria de água.É mais eficaz do que o sulfato de alumínio. Seu desempenho ou comportamento depende da espécie presente, que depende do pH.

Como funciona

O PACl permite a coagulação de material orgânico e partículas minerais. Coagular significa que os compostos a serem eliminados passam de dissolvidos a sólidos. Isso é obtido por meio das interações de suas cargas positivas com as negativas dos materiais a serem coagulados.

A espécie Al₁₃Por ter tantas cargas positivas (+7), é o mais eficaz na neutralização de cargas. Em seguida, ocorre a formação de pontes entre as partículas que se aglomeram e formam flocos.

Esses flocos, por serem muito pesados, tendem a precipitar ou sedimentar, ou seja, ir para o fundo do recipiente que contém a água que está sendo tratada. Desta forma, eles podem ser removidos por filtração.

Vantagem

O PAC é melhor do que o sulfato de alumínio porque tem melhor desempenho em baixas temperaturas, deixa menos resíduos de alumínio, produz menos volume de lodo, menos efeito no pH da água e flocos maiores e mais rápidos são formados. Tudo isso facilita a sedimentação para filtração subsequente.

- Na indústria de fabricação de celulose e papel

PAC é especialmente eficaz na modificação de enchimentos coloidais na fabricação de papel. Cargas coloidais são as cargas dos sólidos suspensos nas misturas para fazer a polpa de papel.

Permite acelerar a velocidade de drenagem (eliminação de água) principalmente em condições neutras e alcalinas, e auxilia na retenção de sólidos. Os sólidos são aqueles que posteriormente, ao secar, formam o papel.

Nesta aplicação, são usados PAC com basicidades baixa (0-17%) e média (17-50%).

- Para melhorar o cimento

Recentemente (2019), a adição de PACl ao cimento Portland foi testada. Foi determinado que a presença de íons cloreto Cl^– e os grupos poliméricos de alumínio alteram a estrutura do cimento. Estima-se que sejam formados sais complexos de fórmula 3CaO.₂OU₃.CaCl₂.10H₂OU.

Os resultados indicam que o PACl melhora as propriedades do cimento, diminui o número de microporos (orifícios muito pequenos) e a matriz torna-se mais densa e compacta, portanto a resistência à compressão aumenta.

O efeito aumenta com o aumento do conteúdo de PACI. O estudo confirma que a adição de PACl ao cimento Portland produz uma mistura com propriedades mecânicas e microestruturais superiores.

Referências

Kim, T. et al. (2019). Investigando os efeitos do cloreto de polialumínio nas propriedades do cimento Portland comum. Materiais 2019, 12, 3290. Recuperado de mdpi.com.
Li, Y. et al. (2019). Otimização do floculante de cloreto de polialumínio-quitosana para o tratamento de chorume de biogás de suínos usando o método de superfície de resposta de Box-Behnken. Int. J. Environ. Res. Public Health 2019, 16, 996. Recuperado de mdpi.com.
Hubbe, M. Polyaluminum Chloride (PAC). Mini-Encyclopedia of Papermaking Wet-End Chemistry. Recuperado de projects.ncsu.edu.
Tang, H. et al. (2015). Mecanismos de especiação, estabilidade e coagulação de aglomerados de hidroxilalumínio formados por PACl e alum: Uma revisão crítica. Adv Colloid Interface Sci 2015; 226 (Pt A): 78-85. Recuperado de ncbi.nlm.nih.gov.
Bottero, J.Y. et al. (1980). Estudos de soluções de cloreto de alumínio hidrolisado. 1. Natureza das espécies de alumínio e composição das soluções aquosas. The Journal of Physical Chemistry, Vol. 84, No. 22, 1980. Retirado de pubs.acs.org.
Zhao, H.-Z. et al. (2009). Cloreto de polialumínio de alta concentração: Preparação e efeitos da concentração de Al na distribuição e transformação de espécies de Al. Chemical Engineering Journal 155 (2009) 528-533. Recuperado de sciencedirect.com.
Jia, Z. et al. (2004). Síntese de cloreto de polialumínio com um reator de membrana: efeitos de parâmetros operacionais e vias de reação. Ind. Eng. Chem. Res. 2004, 43, 12-17. Recuperado de pubs.acs.org.
GEO Speciality Chemicals. Cloreto de polialumínio (PAC). Recuperado de geosc.com.